Das wissenschaftliche Ziel beim Einsatz der in situ-Pumpen besteht darin, Menge und Art von Plastikpartikeln in unterschiedlichen Tiefen der Wassersäule zu bestimmen. Die Arbeitsteilung der vier Pumpen sieht dabei wie folgt aus: Gretel kümmert sich um die tiefste Filterebene, die auf jeder Station unserer Reiseroute bei ca. 70 Metern über dem Meeresgrund liegt. Das nächsthöhere Segment in 2.500 Metern Tiefe gehört zum Aufgabenbereich ihres Bruders. Hulda sitzt dann bei 300 Metern, und Jimmy nimmt sich schließlich jenes Bereichs an, in dem sich das sogenannte „tiefe Chlorophyllmaximum“ befindet. Bevor ich auf diese Filterebenen gesondert eingehe, seien zunächst einige grundsätzliche Eigenschaften der in situ-Pumpen näher beleuchtet:
Ein bedeutender Vorteil dieses Systems besteht in dem großen Volumen, das sie filtrieren können. Anders als etwa die CTD-Rosette beruhen die in situ-Pumpen nicht auf dem Prinzip von Wasserschöpfern. Sie filtrieren das Wasser bereits vor Ort (in situ) genau in der Tiefe, die man untersuchen möchte. Pro Stunde jagt jede Pumpe dabei ein Volumen von mindestens 200 Litern durch ihr internes Filtersystem, das mit Maschengrößen von 35, 10 und 0,45 μm (Mikrometern) bestückt ist. „Da wir bei jeder Station auf diese Weise pro Pumpe insgesamt bis zu 400 Liter filtrieren können – im Vergleich dazu schöpft die CTD-Rosette pro Tiefe nur ca. 60 Liter –, erlaubt uns dies mit Blick auf den Befund von Mikroplastik eine repräsentativere Studie, die näher an der Realität liegt,“ erklärt mir Mine. Insoweit ist zu berücksichtigen, dass die Wissenschaftlerinnen in ihren finalen Analyseergebnissen den Nachweis von Mikroplastikpartikeln immer auf die international gängige Volumeneinheit von einem Kubikmeter (1000 Liter) hochrechnen, um auf diese Weise eine Vergleichbarkeit verschiedener Studien sicherzustellen. Dementsprechend erreicht man mit den in situ-Pumpen eine höhere Genauigkeit und verringert das bei punktuelleren Probenahmen eher bestehende Risiko von Ausreißermessungen.
Das Auslösen der in situ-Pumpen ist anders als bei der CTD-Rosette nicht von Bord per Fernsteuerung möglich. Daraus ergeben sich in der Handhabung weitreichende Konsequenzen: „In dem Moment, wo die Pumpen ins Wasser gehen, verlieren wir in gewisser Weise die Kontrolle“, erklärt Mine. „Deshalb müssen wir sie zuvor über den Laptop entsprechend unseren Forschungszielen programmieren. Zunächst einmal gilt es, den genauen Zeitpunkt festzulegen, in dem alle vier Geräte gleichzeitig anfangen sollen zu pumpen. Darüber hinaus legen wir über die Programmierung auch die Durchflussrate sowie die Pumpdauer – auf dieser Expedition zwischen ein und zwei Stunden – fest.“ Gerade der letzte Punkt veranschaulicht, warum eine funktionstüchtige Elektronik und damit insbesondere die sorgfältige Reinigung der Dichtringe für Hänsel, Gretel & Co absolut überlebenswichtig ist: „Sollten die Geräte nicht nach der festgelegten Zeitdauer aufhören zu pumpen, sondern beim Austritt aus dem Wasser immer noch in Betrieb sein, könnte sie dies nachhaltig beschädigen.“ Wichtig ist ferner, dass die Pumpen selbst keine Sensoren haben, um ihre jeweilige Wassertiefe zu messen. Sie haben damit keine Möglichkeit, eigenständig am gewünschten Ort in der Wassersäule anzuhalten. Damit die vier Pumpen trotzdem korrekt platziert werden können, gehen die Wissenschaftlerinnen auf der SONNE wie folgt vor: Die vier in situ-Pumpen werden immer am selben Seil zusammen mit der CTD-Rosette in die Tiefe geschickt. Dank einer Echolot-Messung ist uns der jeweilige Abstand zum Meeresgrund bekannt; entsprechend wird in einem ersten Schritt die erforderliche Kabellänge für die CTD bemessen, deren erste Station ja kurz über dem Ozeanboden liegen soll. Darüber hinaus können wir mittels der Durchschnittsgeschwindigkeit der Seilwinde zur CTD-Rosette (ca. 0,7 m/Sekunde) errechnen, wie lange die Sonde bis zu ihrer tiefsten Station benötigt. Nehmen wir einmal an, die Berechnung hat ergeben, dass die CTD bis zum Meeresgrund 2 Stunden benötigt. In diesem Fall würde Mine alle vier in situ-Pumpen vor dem Verlassen des Schiffs so programmieren, dass sie ca. 2 Stunden und 30 Minuten ab dem Zeitpunkt mit dem Filterbetrieb beginnen, in dem die CTD das Schiffsdeck verlassen hat. Entsprechend der jeweils gewünschten Filtertiefe wird dann für alle vier Pumpen am Kabel der Abstand gemessen, mit dem sie oberhalb der CTD befestigt werden müssen. Damit sich die Rosette und die Pumpe mit der tiefsten Filterstation (Gretel) nicht in die Quere kommen, wird letztere immer ca. 20 Meter oberhalb der CTD platziert. Der gleichzeitige Einsatz von CTD und in situ-Pumpen hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass kostbare Stationszeit gespart wird.
An dieser Stelle ist der besondere Verdienst der Schiffscrew hervorzuheben, ohne die wir Hänsel, Gretel & Co zwar nicht im Wald, aber wohl schon lange im Ozean verloren hätten. „Ihre Hilfe und Expertise waren für uns von unverzichtbarem Wert“, unterstreicht Mine rückblickend. „Aufgrund ihrer Erfahrung wissen sie genau, wie man die immerhin jeweils 60 Kilo schweren Pumpen sicher am Kabel befestigt – und zwar so, dass sie auch dann noch am Seil hängen, wenn man es nach der Beendigung des Filtervorgangs wieder einholt!“
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Als nächstes interessiert mich, welche Gründe sich hinter den für die vier Pumpen gewählten Beprobungstiefen verstecken. „Die Station über dem Meeresgrund erlaubt uns einen Vergleich zwischen dem Plastikvorkommen im untersten Bereich der Wassersäule und der daran angrenzenden Sedimentschicht“, erklärt mir Mine. Von unserem Multicorer, einem Probenahmegerät, mit dem die Wissenschaftler*innen Sedimentproben aus dem Meeresboden stanzen, werde ich Ihnen in einem nächsten Blog berichten. „Hänsels Filtertiefe von 2500 Metern haben wir deshalb gewählt, weil sie uns einen Vergleich mit den bereits angesprochenen AWI-Studien in der Arktis erlaubt, die wir in eben jener Tiefe durchgeführt haben.“ Die beiden verbleibenden Tiefen können nur in Zusammenschau verstanden werden: Die letzte in situ-Pumpe (Jimmy) wird – wie bereits erwähnt – immer in dem Wassersegment platziert, in dem sich das sogenannte „tiefe Chlorophyllmaximum“ (DCM = deep chlorophyll maximum) befindet. Darunter versteht man den Bereich der Wassersäule, in dem sich die höchste Chlorophyllkonzentration, also die Hauptmasse des Phytoplanktons befindet, das mit Hilfe der Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Nährstoffen seine Körpersubstanz (Biomasse) aufbaut. Zu diesem „Pflanzenplankton“ gehören vor allem Algen (z. B. Kiesel-, Grün- und Goldalgen), „Panzergeißler“ (Dinoflagellate) und Cyanobakterien. Der genaue Ort des DCMs in der Wassersäule kann je nach Region und Strömungsverhältnissen stark variieren. Hier liegt ein weiterer Vorteil, den Einsatz der in situ-Pumpen mit der CTD-Rosette zu koppeln. „Um für Jimmy die genaue Tiefe des DCMs herauszufinden, warten wir die Daten ab, die uns die CTD-Rosette auf dem Weg zum Meeresgrund liefert. Nachdem uns ihr PAR-Sensor (Photosynthetically Active Radiation) den Ort der stärksten photosynthetisch aktiven Strahlung geliefert hat, verbleibt uns noch genügend Zeit, um Jimmy an der entsprechenden Stelle des Seils anzubringen.“ Und warum ist dieser Bereich für die Mikroplastikforschung so interessant? „Wir wissen immer noch nicht genau, wie Mikroplastik von der Wasseroberfläche auf den Meeresgrund transportiert wird“, erklärt mir Mine den derzeitigen Forschungsstand. „Es gibt dazu unterschiedliche Erklärungsansätze: Etwa durch Absinken zusammen mit abgestorbenem Plankton, über den Verzehr durch Zooplankton oder Kot von Wasserorganismen.“ Im Zusammenspiel damit erklärt sich auch Huldas Filtriertiefe in 300 Metern. „In diesem Wassersegment beginnt der lichtlose Bereich, in dem folglich kein Phytoplankton mehr existieren kann“, erläutert Mine. „Messdaten über die Entwicklung und mögliche Veränderung des Mikroplastikvorkommens im Wassersegment zwischen tiefem Chlorophyllmaximum und lichtlosem Bereich können uns daher wichtige Aufschlüsse darüber geben, wie sich Mikroplastik in die dortigen biologischen Prozesse einbindet.“
Da Gretel gerade von ihrer Reise an Deck zurückgekehrt ist, habe ich die Gelegenheit, die weitere Behandlung der gewonnen Filterproben unmittelbar mit zu verfolgen. In einem ersten Schritt bewirkt Mine über den Anschluss ihres Laptops, dass per Programmierbefehl alles noch in den Pumpen befindliche Salzwasser herausgespült wird. „Sollte sich noch zu viel Wasser im Gerät befinden, bestünde ansonsten die Gefahr, dass die Plastikpartikel bei der Entnahme der Filtergazen hochgeschwemmt werden und damit verloren gehen“, erklärt sie mir. Nach dem Öffnen der Filterköpfe, werden die Maschennetze mit einem Pinzetten-Besteck sorgsam zusammengefaltet und in ein Glasgefäß gesteckt. Damit am Werkzeug haften gebliebene Partikel nicht verloren gehen und die Messung verfälschen können, spülen Mine und Annika das Besteck anschießend noch einmal über dem Glasgefäß mit Reinstwasser ab. Zum Abschluss frieren die beiden Wissenschaftlerinnen die Gefäße bei -20°C in einer Kühltruhe ein, damit sie für die Reise ins Leipziger UFZ-Labor sicher konserviert sind.
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Die Wasseradern auf dem Schiffsdeck sind verschwunden. Auch die Seenplatte ist inzwischen vollständig von den Schiffsplanken aufgesogen worden. Die Fische schwimmen wieder im Wasser, die Vögel fliegen am Himmel. So wie es sich „gehört“. Nach fünf Wochen täglicher interdisziplinärer Begegnung werden nach Beendigung unserer Expedition auch die Forschenden der SONNE in ihre angestammten Recherchegebiete Luft und Wasser zurückkehren. Auf mich wartet das Atelier mit Kohlestiften, Leinengewebe und Ölfarbe. Und was bleibt dem Kind vom Märchen, wenn einmal die Worte verklungen sind „Und wenn sie nicht gestorben sind, dann leben sie noch heute“?